Synthèse à partir d’un polysilazane et caractérisation d’une céramique de type β-SiAlON à faible teneur en oxygène comme matériau hôte pour les luminophores émettant de la lumière bleue ou verte

Synthesis and characterization of polysilazane-derived low oxygen content β-SiAlON as host materials for blue- or green-emitting phosphors

• Auteur / Autrice : Munni Kumari
• Direction : Samuel Bernard, Philippe Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 24/04/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Christel Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yuji Iwamoto
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Jobic, Michaël Deschamps

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Matériaux céramiques

Composites céramiques-polymères

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Diodes électroluminescentes à conversion par phosphore

Céramiques dérivées de polymères

Environnement chimique.

Propriétés optiques

Microstructure

Β-SiAlON

Phosphor-Converted white light diodes

Polymer derived ceramics

Chemical environment

Optical properties.

Microstructure

Β-SiAlON

Résumé

Face au défi commun d'améliorer et de remplacer les techniques d'éclairage actuelles afin d'accroître l'efficacité et de réduire l'impact environnemental, l'utilisation de la technologie pc-WLED se présente comme une alternative prometteuse en s’affranchissant des inconvénients liés aux méthodes d'éclairage toxiques. Au cours de la dernière décennie, d'importantes recherches ont été consacrées à l'amélioration de l'efficacité luminescente et de la stabilité thermique des matériaux constituants cette technologie. Notre étude s’inscrit dans cette recherche. Le β-SiAlON, réputé pour ses remarquables propriétés mécaniques, sa stabilité chimique et thermique, est un matériau hôte de référence pour les éléments terres rares et le développement d’une efficacité luminescente élevée. Il est synthétisé et dopé dans le cadre de cette thèse au moyen d’une voie ‘précurseur’ qui met en oeuvre un polymère précéramique de type polysilazane, un complexe d’aluminium (Al) exempt d’oxygène et des chlorures d’europium (Eu) et de cerium (Ce).Différents précurseurs ont été synthétisés en faisant notamment varier les rapports atomiques Si:Al et Eu/Ce:Si pour former par pyrolyse sous ammoniac jusqu’à 1000 °C puis traitement thermique à haute température sous azote des matériaux à base de β-SiAlON. Le matériau – dont la composition chimique et à la structure évoluent au cours de la montée en température - est analysée à chaque étape clé de la préparation du β-SiAlON - dopé ou non – et l’accent est plus particulièrement mis sur les effets du dopage par les éléments des terres rares sur la microstructure et les propriétés optiques des matériaux finaux.

Addressing the common challenge of enhancing and replacing current lighting techniques to improve efficiency and minimize environmental impact, the use of pc-WLED technology emerges as a promising alternative, eliminating the drawbacks associated with toxic lighting methods. Over the past decade, significant research and development efforts have been devoted to enhance luminescent efficiency and thermal stability. Our study is part of these efforts.β-SiAlON, known for its outstanding mechanical properties, chemical stability, and thermal stability is an ideal host material for rare-earth elements in order to achieve high luminescence efficiency. It is prepared and doped within the framework of this PhD thesis using a 'precursor' route which uses a preceramic polymer such as a polysilazane, an oxygen-free aluminum (Al) complex and europium (Eu) and cerium (Ce) chlorides.Different precursors have been synthesized by varying the Si:Al and Eu/Ce:Si atomic ratios to form materials based on β-SiAlON by pyrolysis under ammonia up to 1000 °C followed by heat treatment at high temperature under nitrogen. The material – whose chemical composition and structure evolve during the heat-treatments – is analyzed at each key stage of the preparation of β-SiAlON – doped or not – and the analysis is more particularly focused on the effects of doping with rare earth elements on the microstructure and optical properties of the final materials.